Теплопроводность что значит – Теплопроводность — это… Что такое Теплопроводность?

Теплопроводность — это… Что такое Теплопроводность?

Теплопрово́дность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела ( атомами, молекулами, электронами и т.п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

Численная характеристика теплопроводности материала равна количеству теплоты, проходящей через материал площадью 1 кв.м за единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте. Данная численная характеристика используется для расчета теплопроводности для калибрования и охлаждения профильных изделий.

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности, нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением объектов занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании температуры.

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

где  — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси,  — коэффициент теплопроводности (иногда называемый просто теплопроводностью),  — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad T (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как

закон теплопроводности Фурье.[1]

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

где  — полная мощность тепловых потерь,  — площадь сечения параллелепипеда,  — перепад температур граней,  — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м·K).

Коэффициент теплопроводности вакуума

Коэффициент теплопроводности вакуума почти ноль (чем глубже вакуум, тем ближе к нулю). Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, тепло в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотери стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности с удельной электрической проводимостью в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

где  — постоянная Больцмана,  — заряд электрона.

Коэффициент теплопроводности газов

Коэффициент теплопроводности газов определяется формулой[2]

Где: i — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5, для одноатомного i=3), k — постоянная Больцмана, M — молярная масса, T — абсолютная температура, d — эффективный диаметр молекул, R — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из не радиоактивных газов — у ксенона).

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье не применим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т.п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл[3], а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:[4]

Если время релаксации пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Графен (4840±440) — (5300±480)
Алмаз 1001—2600
Графит 278,4—2435
Карбид кремния 490
Серебро 430
Медь 382—390
Оксид бериллия 370
Золото 320
Алюминий 202—236
Нитрид алюминия 200
Нитрид бора 180
Кремний 150
Латунь 97—111
Хром 93,7
Железо 92
Платина 70
Олово
67
Оксид цинка 54
Сталь 47
Кварц 8
Стекло 1-1,15
КПТ-8 0,7
Вода при нормальных условиях 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Силиконовое масло 0,16
Пенобетон 0,14—0,3
Древесина 0,15
Нефтяные масла 0,12
Свежий снег 0,10—0,15
Вата 0,055
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,026
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)

другие вещества

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Кальций 201
Бериллий 201
Вольфрам 173
Магний 156
Родий 150
Иридий 147
Молибден 138
Рутений 117
Хром 93,9
Осмий 87,6
Титан 21,9
Тефлон 0,25
Бумага 0,14
Полистирол 0,082
Шерсть 0,05
Минеральная вата 0,045
Пенополистирол 0,04
Стекловолокно 0,036
Пробковое дерево 0,035
Пеноизол 0,035
Каучук вспененный 0,03
Аргон 0,0177
Аэрогель 0,017
Ксенон 0,0057

На практике нужно также учитывать проводимость тепла за счет конвекции молекул и проникаемости излучений. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепло может передаваться за счет излучения (пример — Солнце, установки инфракрасного излучения). А газ или жидкость могут обмениваться нагретыми или охлажденными слоями самостоятельно или искусственно (пример — фен, греющие вентиляторы). Так же в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепла, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Примечания

См. также

Ссылки

dic.academic.ru

Теплопроводность строительных материалов и коэффициенты теплопотерь

Из чего построить дом? Его стены должны обеспечить здоровый микроклимат без лишней влаги, плесени, холода. Это зависит от их физических свойств: плотности, водостойкости, пористости. Самым главным является теплопроводность строительных материалов, означающая их свойство пропускать сквозь себя тепловую энергию при разнице температур. Для того, чтобы количественно оценить этот параметр, используют коэффициент теплопроводности.

Для того, чтобы кирпичный дом был таким же теплым, как и деревянный сруб (из сосны), толщина его стен должна втрое превышать толщину стен сруба.

Что такое коэффициент теплопроводности

Эта физическая величина равна количеству теплоты (измеряемой в килокалориях), проходящей через материал толщиной 1 м за 1 час. При этом разница температур на противоположных сторонах его поверхности должна быть равной 1 °С. Исчисляется теплопроводность в Вт/м град (Ватт, деленный на произведение метра и градуса).

Использование данной характеристики продиктовано необходимостью грамотного подбора типа фасада для создания максимальной теплоизоляции. Это необходимое условие для комфорта живущих или работающих в здании людей. Также теплопроводность строительных материалов учитывается при выборе дополнительного утепления дома. В данном случае ее расчет особенно важен, так как ошибки приводят к неправильному смещению точки росы и, как следствие — стены мокнут, в доме сыро и холодно.

Сравнительная характеристика теплопроводности строительных материалов

Коэффициент теплопроводности материалов различный. К примеру, у сосны этот показатель равен 0,17 Вт/м град, у пенобетона – 0,18 Вт/м град: то есть, по способности сохранять тепло они примерно идентичны. Коэффициент теплопроводности кирпича – 0,55 Вт/м град, а обыкновенного (полнотелого) – 0,8 Вт/м град. Из всего этого следует, что для того, чтобы кирпичный дом был таким же теплым, как и деревянный сруб (из сосны), толщина его стен должна втрое превышать толщину стен сруба.

Практическое использование материалов с низкой теплопроводностью

Современные технологии производства теплоизолирующих материалов предоставляют широкие возможности для строительной индустрии. Сегодня совершенно не обязательно строить дома с большой толщиной стен: можно удачно комбинировать различные материалы для возведения энергоэффективных построек. Не очень высокую теплопроводность кирпича можно компенсировать использованием дополнительного внутреннего или наружного утеплителя, например, пенополистирола, коэффициент теплопроводности которого – всего 0,03 Вт/м град.

Взамен дорогих домов из кирпича и не эффективных с точки зрения энергосбережения монолитных и каркасно-панельных домов из тяжелого и плотного бетона сегодня строят здания из ячеистого бетона. Его параметры такие же, как у древесины: в доме из данного материала стены не промерзают даже в самые холодные зимы.

Потери тепла дома в процентном соотношении.

Такая технология позволяет возводить более дешевые здания. Это связано с тем, что низкий коэффициент теплопроводности строительных материалов упростил возведение минимальными затратами по финансированию. Уменьшается также и время, затрачиваемое на строительные работы. Для более легких сооружений не требуется устраивать тяжелый глубоко заглубленный фундамент: в ряде случаев достаточно легкого ленточного или столбчатого.

Особенно привлекательным данный принцип строительства стал для возведения легких каркасных домов. Сегодня с использованием материалов низкой теплопроводности возводится все больше коттеджей, супермаркетов, складских помещений и производственных зданий. Такие строения могут эксплуатироваться в любой климатической зоне.

Принцип каркасно-щитовой технологии строительства заключается в том, что между тонкими листами фанеры или плит OSB помещается теплоизолятор. Это может быть минеральная вата либо пенополистирол. Толщина материала выбирается с учетом его теплопроводности. Тонкие стены вполне справляются с задачей тепловой изоляции. Таким же образом устраивается кровля. Данная технология позволяет в короткие сроки возводить здание с минимальными финансовыми затратами.

Сравнение параметров популярных материалов для изоляции и возведения домов

Пенополистирол и минеральная вата заняли лидирующие позиции при утеплении фасадов. Мнения специалистов разделились: одни утверждают, что вата накапливает конденсат и пригодна к эксплуатации лишь при одновременном использовании с паронепроницаемой мембраной. Но тогда стены теряют дышащие свойства, и качественное применение оказывается под вопросом. Другие уверяют, что создание вентилируемых фасадов решает данную проблему. При этом пенополистирол имеет низкую проводимость тепла и хорошо дышит. У него она пропорционально зависит от плотности листов: 40/100/150 кг/м3 = 0,03/0,04/0,05 Вт/м*ºC.

Еще одна важная характеристика, которую обязательно учитывают при строительстве — паропроницаемость. Она означает возможность стен пропускать изнутри влажность. При этом не происходят потери комнатной температуры и нет необходимости проветривать помещение. Низкая теплопроводность и высокая паропроницаемость стен обеспечивают идеальный для проживания человека микроклимат в доме.

Исходя из этих условий, можно определить самые эффективные дома для проживания человека. Наиболее низкой проводимостью тепла обладает пенобетон (0,08 Вт
м*ºC) при плотности 300 кг/м3. Этот строительный материал имеет также одну из самых высоких степеней паропроницаемости (0,26 Мг/м*ч*Па). Второе место по праву занимает древесина, в частности — сосна, ель, дуб. Их теплопроводность достаточно низкая (0,09 Вт/м*ºC) при условии обработки дерева поперек волокон. А паропроницаемость этих сортов наиболее высокая (0,32 Мг/м*ч*Па). Для сравнения: использование сосны, обработанной вдоль волокон, повышает выпуск тепла до 0,17-0,23 Вт/м*ºC.

Таким образом, для возведения стен подходят лучше всего пенобетон и древесина, так как они обладают лучшими параметрами по обеспечению экологической чистоты и хорошего микроклимата внутри помещений. Для изоляции фасада подходят пенополиуретан, пенополистирол, минеральная вата. Отдельно следует сказать о пакле. Ее закладывают для исключения мостиков холода во время кладки сруба. Она увеличивает и без того отличные свойства деревянного фасада: коэффициент проводимости тепла у пакли самый низкий (0,05 Вт/м*ºC), а паропроницаемость самая высокая (0,49 Мг/м*ч*Па).

osnovam.ru

Теплопроводность — Википедия (с комментариями)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Теплопрово́дность — способность материальных тел к переносу энергии (теплообмену) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В системе СИ единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

<math>\vec{q}=-\varkappa\,\mathrm{grad}(T),</math>

где <math>\vec{q}</math> — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, <math>\varkappa</math> — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), <math>T</math> — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad T (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.[1]

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

<math>P=-\varkappa\frac{S\Delta T}{l},</math>

где <math>P</math> — полная мощность тепловых потерь, <math>S</math> — площадь сечения параллелепипеда, <math>\Delta T</math> — перепад температур граней, <math>l</math> — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности <math>\varkappa</math> с удельной электрической проводимостью <math>\sigma</math> в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

<math>\frac{\varkappa}{\sigma}=\frac{\pi^2}{3}\left(\frac{k}{e}\right)^2T,</math>

где <math>k</math> — постоянная Больцмана, <math>e</math> — заряд электрона.

Коэффициент теплопроводности газов

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле[2]

<math>\varkappa \sim \frac{1}{3} \rho c_v \lambda \bar{v}</math>

где <math>\rho</math> — плотность газа, <math>c_v</math> — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, <math>\lambda</math> — средняя длина свободного пробега молекул газа, <math>\bar{v}</math> — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как[3]

<math>\varkappa = \frac{ik}{3\pi^{3/2}d^{2}} \sqrt{\frac{RT}{\mu}}</math>

где <math>i</math> — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5, для одноатомного i=3), <math>k</math> — постоянная Больцмана, <math>\mu</math> — молярная масса, <math>T</math> — абсолютная температура, <math>d</math> — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, <math>R</math> — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).

Теплопроводность в сильно разреженных газах

Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): <math>\varkappa \sim \frac{1}{3}\rho c_v l \bar v\propto P</math>, где <math>l</math> — размер сосуда, <math>P</math> — давление.

Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл[4], а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:[5]

<math>\tau\frac{\partial\mathbf{q}}{\partial t}=-\left(\mathbf{q}+\varkappa\,\nabla T\right).</math>

Если время релаксации <math>\tau</math> пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Графен 4840±440 — 5300±480
Алмаз 1001—2600
Графит 278,4—2435
Карбид кремния 490
Серебро 430
Медь 401
Оксид бериллия 370
Золото 320
Алюминий 202—236
Нитрид алюминия 200
Нитрид бора 180
Кремний 150
Латунь 97—111
Хром 107
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Оксид цинка 54
Сталь[какая?] 47
Свинец 35,3
Кварц 8
Гранит 2,4
Бетон сплошной 1,75
Бетон на гравии или щебне из природного камня 1,51
Базальт 1,3
Стекло 1-1,15
Термопаста КПТ-8 0,7
Бетон на песке 0,7
Вода при нормальных условиях 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Силиконовое масло 0,16
Пенобетон 0,05—0,3
Древесина 0,15
Нефтяные масла 0,12
Свежий снег 0,10—0,15
Пенополистирол (горючесть Г1) 0,038-0,052
Экструдированный пенополистирол (горючесть Г3 и Г4) 0,029-0,032
Стекловата 0,032-0,041
Каменная вата 0,034-0,039
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,022
Аэрогель 0,017
Аргон (273-320 K, 100 кПа) 0,017
Аргон (240-273 K, 100 кПа) 0,015
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)

Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Напишите отзыв о статье «Теплопроводность»

Примечания

  1. [dic.academic.ru/dic.nsf/natural_science/14229/ФУРЬЕ Естествознание. Энциклопедический словарь. Закон Фурье.]
  2. Д.В. Сивухин. Общий курс физики: термодинамика и молекулярная физика. — М.: Физматлит, 2006. — С. 345.
  3. [ustu.ru/fileadmin/user_upload/kafedra_fiziki/pdf/3b.pdf Исследование теплопроводности газов.] // Методические указания.
  4. J. C. Maxwell, Philos. Trans. Roy. Soc. London 157 (1867) 49.
  5. C. Cattaneo, Atti Seminario Univ. Modena 3 (1948) 33.

См. также

Ссылки

  • [twt.mpei.ac.ru/rbtpp/TC Теплопроводность воды и водяного пара]
  • [environmentalchemistry.com/yogi/periodic/thermal.html Коэффициенты теплопроводности элементов]
  • [thermalinfo.ru/publ/tverdye_veshhestva/stroitelnye_materialy/plotnost_teploprovodnost_teploemkost_stroitelnyh_materialov/6-1-0-2 Таблица теплопроводности веществ и материалов]

Отрывок, характеризующий Теплопроводность

– La balance у est… [Баланс установлен…] Немец на обухе молотит хлебец, comme dit le рroverbe, [как говорит пословица,] – перекладывая янтарь на другую сторону ртa, сказал Шиншин и подмигнул графу.
Граф расхохотался. Другие гости, видя, что Шиншин ведет разговор, подошли послушать. Берг, не замечая ни насмешки, ни равнодушия, продолжал рассказывать о том, как переводом в гвардию он уже выиграл чин перед своими товарищами по корпусу, как в военное время ротного командира могут убить, и он, оставшись старшим в роте, может очень легко быть ротным, и как в полку все любят его, и как его папенька им доволен. Берг, видимо, наслаждался, рассказывая всё это, и, казалось, не подозревал того, что у других людей могли быть тоже свои интересы. Но всё, что он рассказывал, было так мило степенно, наивность молодого эгоизма его была так очевидна, что он обезоруживал своих слушателей.
– Ну, батюшка, вы и в пехоте, и в кавалерии, везде пойдете в ход; это я вам предрекаю, – сказал Шиншин, трепля его по плечу и спуская ноги с отоманки.
Берг радостно улыбнулся. Граф, а за ним и гости вышли в гостиную.

Было то время перед званым обедом, когда собравшиеся гости не начинают длинного разговора в ожидании призыва к закуске, а вместе с тем считают необходимым шевелиться и не молчать, чтобы показать, что они нисколько не нетерпеливы сесть за стол. Хозяева поглядывают на дверь и изредка переглядываются между собой. Гости по этим взглядам стараются догадаться, кого или чего еще ждут: важного опоздавшего родственника или кушанья, которое еще не поспело.
Пьер приехал перед самым обедом и неловко сидел посредине гостиной на первом попавшемся кресле, загородив всем дорогу. Графиня хотела заставить его говорить, но он наивно смотрел в очки вокруг себя, как бы отыскивая кого то, и односложно отвечал на все вопросы графини. Он был стеснителен и один не замечал этого. Большая часть гостей, знавшая его историю с медведем, любопытно смотрели на этого большого толстого и смирного человека, недоумевая, как мог такой увалень и скромник сделать такую штуку с квартальным.
– Вы недавно приехали? – спрашивала у него графиня.
– Oui, madame, [Да, сударыня,] – отвечал он, оглядываясь.
– Вы не видали моего мужа?
– Non, madame. [Нет, сударыня.] – Он улыбнулся совсем некстати.
– Вы, кажется, недавно были в Париже? Я думаю, очень интересно.
– Очень интересно..
Графиня переглянулась с Анной Михайловной. Анна Михайловна поняла, что ее просят занять этого молодого человека, и, подсев к нему, начала говорить об отце; но так же, как и графине, он отвечал ей только односложными словами. Гости были все заняты между собой. Les Razoumovsky… ca a ete charmant… Vous etes bien bonne… La comtesse Apraksine… [Разумовские… Это было восхитительно… Вы очень добры… Графиня Апраксина…] слышалось со всех сторон. Графиня встала и пошла в залу.
– Марья Дмитриевна? – послышался ее голос из залы.
– Она самая, – послышался в ответ грубый женский голос, и вслед за тем вошла в комнату Марья Дмитриевна.
Все барышни и даже дамы, исключая самых старых, встали. Марья Дмитриевна остановилась в дверях и, с высоты своего тучного тела, высоко держа свою с седыми буклями пятидесятилетнюю голову, оглядела гостей и, как бы засучиваясь, оправила неторопливо широкие рукава своего платья. Марья Дмитриевна всегда говорила по русски.
– Имениннице дорогой с детками, – сказала она своим громким, густым, подавляющим все другие звуки голосом. – Ты что, старый греховодник, – обратилась она к графу, целовавшему ее руку, – чай, скучаешь в Москве? Собак гонять негде? Да что, батюшка, делать, вот как эти пташки подрастут… – Она указывала на девиц. – Хочешь – не хочешь, надо женихов искать.
– Ну, что, казак мой? (Марья Дмитриевна казаком называла Наташу) – говорила она, лаская рукой Наташу, подходившую к ее руке без страха и весело. – Знаю, что зелье девка, а люблю.
Она достала из огромного ридикюля яхонтовые сережки грушками и, отдав их именинно сиявшей и разрумянившейся Наташе, тотчас же отвернулась от нее и обратилась к Пьеру.
– Э, э! любезный! поди ка сюда, – сказала она притворно тихим и тонким голосом. – Поди ка, любезный…
И она грозно засучила рукава еще выше.
Пьер подошел, наивно глядя на нее через очки.
– Подойди, подойди, любезный! Я и отцу то твоему правду одна говорила, когда он в случае был, а тебе то и Бог велит.
Она помолчала. Все молчали, ожидая того, что будет, и чувствуя, что было только предисловие.
– Хорош, нечего сказать! хорош мальчик!… Отец на одре лежит, а он забавляется, квартального на медведя верхом сажает. Стыдно, батюшка, стыдно! Лучше бы на войну шел.
Она отвернулась и подала руку графу, который едва удерживался от смеха.
– Ну, что ж, к столу, я чай, пора? – сказала Марья Дмитриевна.
Впереди пошел граф с Марьей Дмитриевной; потом графиня, которую повел гусарский полковник, нужный человек, с которым Николай должен был догонять полк. Анна Михайловна – с Шиншиным. Берг подал руку Вере. Улыбающаяся Жюли Карагина пошла с Николаем к столу. За ними шли еще другие пары, протянувшиеся по всей зале, и сзади всех по одиночке дети, гувернеры и гувернантки. Официанты зашевелились, стулья загремели, на хорах заиграла музыка, и гости разместились. Звуки домашней музыки графа заменились звуками ножей и вилок, говора гостей, тихих шагов официантов.
На одном конце стола во главе сидела графиня. Справа Марья Дмитриевна, слева Анна Михайловна и другие гостьи. На другом конце сидел граф, слева гусарский полковник, справа Шиншин и другие гости мужского пола. С одной стороны длинного стола молодежь постарше: Вера рядом с Бергом, Пьер рядом с Борисом; с другой стороны – дети, гувернеры и гувернантки. Граф из за хрусталя, бутылок и ваз с фруктами поглядывал на жену и ее высокий чепец с голубыми лентами и усердно подливал вина своим соседям, не забывая и себя. Графиня так же, из за ананасов, не забывая обязанности хозяйки, кидала значительные взгляды на мужа, которого лысина и лицо, казалось ей, своею краснотой резче отличались от седых волос. На дамском конце шло равномерное лепетанье; на мужском всё громче и громче слышались голоса, особенно гусарского полковника, который так много ел и пил, всё более и более краснея, что граф уже ставил его в пример другим гостям. Берг с нежной улыбкой говорил с Верой о том, что любовь есть чувство не земное, а небесное. Борис называл новому своему приятелю Пьеру бывших за столом гостей и переглядывался с Наташей, сидевшей против него. Пьер мало говорил, оглядывал новые лица и много ел. Начиная от двух супов, из которых он выбрал a la tortue, [черепаховый,] и кулебяки и до рябчиков он не пропускал ни одного блюда и ни одного вина, которое дворецкий в завернутой салфеткою бутылке таинственно высовывал из за плеча соседа, приговаривая или «дрей мадера», или «венгерское», или «рейнвейн». Он подставлял первую попавшуюся из четырех хрустальных, с вензелем графа, рюмок, стоявших перед каждым прибором, и пил с удовольствием, всё с более и более приятным видом поглядывая на гостей. Наташа, сидевшая против него, глядела на Бориса, как глядят девочки тринадцати лет на мальчика, с которым они в первый раз только что поцеловались и в которого они влюблены. Этот самый взгляд ее иногда обращался на Пьера, и ему под взглядом этой смешной, оживленной девочки хотелось смеяться самому, не зная чему.
Николай сидел далеко от Сони, подле Жюли Карагиной, и опять с той же невольной улыбкой что то говорил с ней. Соня улыбалась парадно, но, видимо, мучилась ревностью: то бледнела, то краснела и всеми силами прислушивалась к тому, что говорили между собою Николай и Жюли. Гувернантка беспокойно оглядывалась, как бы приготавливаясь к отпору, ежели бы кто вздумал обидеть детей. Гувернер немец старался запомнить вое роды кушаний, десертов и вин с тем, чтобы описать всё подробно в письме к домашним в Германию, и весьма обижался тем, что дворецкий, с завернутою в салфетку бутылкой, обносил его. Немец хмурился, старался показать вид, что он и не желал получить этого вина, но обижался потому, что никто не хотел понять, что вино нужно было ему не для того, чтобы утолить жажду, не из жадности, а из добросовестной любознательности.

На мужском конце стола разговор всё более и более оживлялся. Полковник рассказал, что манифест об объявлении войны уже вышел в Петербурге и что экземпляр, который он сам видел, доставлен ныне курьером главнокомандующему.

wiki-org.ru

Что такое теплопроводность в физике?

Явление теплопроводности заключается в передаче энергии в виде тепла при непосредственном контакте двух тел без какого-либо обмена материей или с ее обменом. При этом энергия переходит из одного тела или области тела, имеющего более высокую температуру, в тело или область с более низкой температурой. Физической характеристикой, которая определяет параметры передачи тепла, является теплопроводность. Что такое теплопроводность, и как ее описывают в физике? На эти вопросы ответит данная статья.

Общее понятие о теплопроводности и ее природа

Если отвечать простыми словами на вопрос о том, что такое теплопроводность в физике, то следует сказать, что передача тепла между двумя телами или различными областями одного и того же тела является процессом обмена внутренней энергией между частицами, составляющими тело (молекулы, атомы, электроны и ионы). Сама внутренняя энергия состоит из двух важных частей: из кинетической и из потенциальной энергии.

Что такое теплопроводность в физике с точки зрения природы этой величины? На микроскопическом уровне способность материалов проводить тепло зависит от их микроструктуры. Например, для жидкостей и газов указанный физический процесс происходит за счет хаотичных столкновений между молекулами, в твердых телах основная доля переносимого тепла приходится на обмен энергией между свободными электронами (в металлических системах) или фононами (неметаллические вещества), которые представляют собой механические колебания кристаллической решетки.

Математическое представление теплопроводности

Ответим на вопрос о том, что такое теплопроводность, с математической точки зрения. Если взять однородное тело, тогда количество тепла, переданного через него в данном направлении, будет пропорционально площади поверхности, перпендикулярной направлению теплопередачи, теплопроводности самого материала и разнице температур на концах тела, а также будет обратно пропорционально толщине тела.

В итоге получается формула: Q/t = kA(T2-T1)/x, здесь Q/t — теплота (энергия), переданная через тело за время t, k — коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлено рассматриваемое тело, A — площадь поперечного сечения тела, T2-T1 — разница температур на концах тела, причем T2>T1, x — толщина тела, через которую передается тепло Q.

Способы передачи тепловой энергии

Рассматривая вопрос о том, что такое теплопроводность материалов, следует упомянуть о возможных способах передачи тепла. Тепловая энергия может передаваться между различными телами с помощью следующих процессов:

  • проводимость — этот процесс идет без переноса материи;
  • конвекция — перенос тепла непосредственно связан и с движением самой материи;
  • излучение — передача тепла осуществляется за счет электромагнитного излучения, то есть с помощью фотонов.

Чтобы тепло было передано с помощью процессов проводимости или конвекции, необходим непосредственный контакт между различными телами с тем отличием, что в процессе проводимости не существует макроскопического движения материи, а в процессе конвекции это движение присутствует. Отметим, что микроскопическое движение имеет место во всех процессах теплопередачи.

Для обычных температур в несколько десятков градусов Цельсия можно сказать, что на долю конвекции и проводимости приходится основная часть передаваемого тепла, а количество энергии, переданной в процессе излучения, является незначительным. Однако излучение начинает играть главную роль в процессе теплопередачи при температурах в несколько сотен и тысяч Кельвин, поскольку количество энергии Q, передаваемой этим способом, растет пропорционально 4-й степени абсолютной температуры, то есть ∼ T4. Например, наше солнце теряет большую часть энергии именно за счет излучения.

Теплопроводность твердых тел

Так как в твердых телах каждая молекула или атом находятся в определенном положении и не могут его покинуть, то передача тепла с помощью конвекции оказывается невозможной, и единственным возможным процессом является проводимость. При увеличении температуры тела кинетическая энергия составляющих его частиц увеличивается, и каждая молекула или атом начинают интенсивнее колебаться. Этот процесс приводит к их столкновению с соседними молекулами или атомами, в результате таких столкновений передается кинетическая энергия от частицы к частице до тех пор, пока все частицы тела не будут охвачены этим процессом.

В результате описанного микроскопического механизма при нагреве одного конца металлического стержня температура через некоторое время выравнивается по всему стержню.

Тепло не передается одинаково в различных твердых материалах. Так, существуют материалы, которые обладают хорошей теплопроводностью. Они легко и быстро проводят тепло через себя. Но также существуют плохие теплопроводники или изоляторы, через которые тепло практически не проходит.

Коэффициент теплопроводности для твердых тел

Коэффициент термической проводимости для твердых тел k имеет следующий физический смыл: он указывает на количество теплоты, которое проходит за единицу времени через единицу площади поверхности в каком-либо теле единичной толщины и бесконечной длины и ширины при разнице температур на его концах, равной одному градусу. В международной системе единиц СИ коэффициент k измеряется в Дж/(с*м*К).

Данный коэффициент в твердых веществах зависит от температуры, поэтому его принято определять при температуре 300 K с целью сравнения способности проводить тепло различными материалами.

Коэффициент теплопроводности для металлов и неметаллических твердых материалов

Все металлы без исключения являются хорошими проводниками тепла, за перенос которого в них отвечает электронный газ. В свою очередь ионные и ковалентные материалы, а также материалы, имеющие волокнистую структуру, являются хорошими теплоизоляторами, то есть плохо проводят тепло. Для полноты раскрытия вопроса о том, что такое теплопроводность, следует заметить, что этот процесс требует обязательного наличия вещества, если он осуществляется за счет конвекции или проводимости, поэтому в вакууме тепло может передаваться только за счет электромагнитного излучения.

В списке ниже приведены значения коэффициентов теплопроводности для некоторых металлов и неметаллов в Дж/(с*м*К):

  • сталь — 47-58 в зависимости от марки стали;
  • алюминий — 209,3;
  • бронза — 116-186;
  • цинк — 106-140 в зависимости от чистоты;
  • медь — 372,1-385,2;
  • латунь — 81-116;
  • золото — 308,2;
  • серебро — 406,1-418,7;
  • каучук — 0,04-0,30;
  • стекловолокно — 0,03-0,07;
  • кирпич — 0,80;
  • дерево — 0,13;
  • стекло — 0,6-1,0.

Таким образом, теплопроводность металлов на 2-3 порядка превышает значения теплопроводности для изоляторов, которые являются ярким примером ответа на вопрос о том, что такое низкая теплопроводность.

Значение теплопроводности играет важную роль во многих индустриальных процессах. В одних процессах стремятся увеличить ее, используя хорошие теплопроводники и увеличивая площадь контакта, в других же стараются уменьшить теплопроводность, уменьшая площадь контакта и применяя теплоизолирующие материалы.

Конвекция в жидкостях и газах

Передача тепла в текучих средах осуществляется за счет процесса конвекции. Этот процесс предполагает перемещение молекул вещества между зонами с различной температурой, то есть при конвекции происходит перемешивание жидкости или газа. Когда текучая материя отдает тепло, ее молекулы теряют часть кинетической энергии, и материя становится более плотной. Наоборот, когда текучая материя нагревается, ее молекулы увеличивают свою кинетическую энергию, их движение становится более интенсивным, соответственно, объем материи увеличивается, а плотность уменьшается. Именно поэтому холодные слои материи стремятся опуститься вниз под действием силы тяжести, а горячие слои пытаются подняться вверх. Этот процесс приводит к перемешиванию материи, способствуя передачи тепла между ее слоями.

Коэффициент теплопроводности некоторых жидкостей

Если отвечать на вопрос о том, что такое теплопроводность воды, то следует понимать, что она обусловлена конвекционным процессом. Коэффициент теплопроводности для нее равен 0,58 Дж/(с*м*К).

Для других жидкостей эта величина приведена в списке ниже:

  • этиловый спирт — 0,17;
  • ацетон — 0,16;
  • глицерол — 0,28.

То есть значения теплопроводности для жидкостей сравнимы с таковыми для твердых теплоизоляторов.

Конвекция в атмосфере

Важность атмосферной конвекции велика, поскольку благодаря ней существуют такие явления, как ветры, циклоны, образование облаков, дожди и другие. Все эти процессы подчиняются физическим законам термодинамики.

Среди процессов конвекции в атмосфере самым важным является круговорот воды. Здесь следует рассмотреть вопросы о том, что такое теплопроводность и теплоемкость воды. Под теплоемкостью воды понимается физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо передать 1 кг воды, чтобы ее температура увеличилась на один градус. Оно равно 4220 Дж.

Круговорот воды осуществляется следующим образом: солнце нагревает воды Мирового океана, и часть воды испаряется в атмосферу. За счет процесса конвекции водяной пар поднимается на большую высоту, охлаждается, образуются облака и тучи, которые приводят к возникновению осадков в виде града или дождя.

fb.ru

Коэффициент теплопроводности материала. Теплопроводность строительных материалов: таблица

Процесс передачи энергии от более нагретой части тела к менее нагретой называется теплопроводностью. Числовое значение такого процесса отражает коэффициент теплопроводности материала. Это понятие является очень важным при строительстве и ремонте зданий. Правильно подобранные материалы позволяют создать в помещении благоприятный микроклимат и сэкономить на отоплении существенную сумму.

Понятие теплопроводности

Теплопроводность – процесс обмена тепловой энергией, который происходит за счет столкновения мельчайших частиц тела. Причем этот процесс не прекратится, пока не наступит момент равновесия температур. На это уходит определенный промежуток времени. Чем больше времени затрачивается на тепловой обмен, тем ниже показатель теплопроводности.

Данный показатель выражают как коэффициент теплопроводности материалов. Таблица содержит уже измеренные значения для большинства материалов. Расчет производится по количеству тепловой энергии, прошедшей сквозь заданную площадь поверхности материала. Чем больше вычисленное значение, тем быстрее объект отдаст все свое тепло.

Факторы, влияющие на теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материала зависит от нескольких факторов:

  • Плотность материала. При повышении данного показателя взаимодействие частиц материала становится прочнее. Соответственно, они будут передавать температуру быстрее. А это значит, что с повышением плотности материала улучшается передача тепла.
  • Пористость вещества. Пористые материалы являются неоднородными по своей структуре. Внутри них находится большое количество воздуха. А это значит, что молекулам и другим частицами будет сложно перемещать тепловую энергию. Соответственно, коэффициент теплопроводности повышается.
  • Влажность также оказывает влияние на теплопроводность. Мокрые поверхности материала пропускают большее количество тепла. В некоторых таблицах даже указывается расчетный коэффициент теплопроводности материала в трех состояниях: сухом, среднем (обычном) и влажном.
Выбирая материал для утепления помещений, важно учитывать также условия, в которых он будет эксплуатироваться.

Понятие теплопроводности на практике

Теплопроводность учитывается на этапе проектирования здания. При этом берется во внимание способность материалов удерживать тепло. Благодаря их правильному подбору жильцам внутри помещения всегда будет комфортно. Во время эксплуатации будут существенно экономиться денежные средства на отопление.

Утепление на стадии проектирования является оптимальным, но не единственным решением. Не составляет трудности утеплить уже готовое здание путем проведения внутренних или наружных работ. Толщина слоя изоляции будет зависеть от выбранных материалов. Отдельные из них (к примеру, дерево, пенобетон) могут в некоторых случаях использоваться без дополнительного слоя термоизоляции. Главное, чтобы их толщина превышала 50 сантиметров.

Особенное внимание следует уделить утеплению кровли, оконных и дверных проемов, пола. Сквозь эти элементы уходит больше всего тепла. Зрительно это можно увидеть на фотографии в начале статьи.

Конструкционные материалы и их показатели

Для строительства зданий используют материалы с низким коэффициентом теплопроводности. Наиболее популярными являются:

  • Бетон. Его теплопроводность находится в пределах 1,29-1,52Вт/м*К. Точное значение зависит от консистенции раствора. На этот показатель также влияет плотность исходного материала, которая составляет 500-2500 кг/м3. Используют данный материал в виде раствора для фундаментов, в виде блоков – для возведения стен и фундамента.
  • Железобетон, значение теплопроводности которого составляет 1,68Вт/м*К. Плотность материала достигает 2400-2500 кг/м3.
  • Древесина, издревле использующаяся как строительный материал. Ее плотность и теплопроводность в зависимости от породы составляют 150-2100 кг/м3 и 0,2-0,23Вт/м*К соответственно.

Еще один популярный строительный материал – кирпич. В зависимости от состава он обладает следующими показателями:

  • саманный (изготовленный из глины): 0,1-0,4 Вт/м*К;
  • керамический (изготовленный методом обжига): 0,35-0,81 Вт/м*К;
  • силикатный (из песка с добавлением извести): 0,82-0,88 Вт/м*К.

Материалы из бетона с добавлением пористых заполнителей

Коэффициент теплопроводности материала позволяет использовать последний для постройки гаражей, сараев, летних домиков, бань и других сооружений. В данную группу можно отнести:

  • Пенобетон. Производится с добавлением пенообразующих веществ, за счет которых характеризуется пористой структурой с плотностью 500-1000 кг/м3. При этом способность передавать тепло определяется значением 0,1-0,37Вт/м*К.
  • Керамзитобетон, показатели которого зависят от его вида. Полнотелые блоки не имеют пустот и отверстий. С пустотами внутри изготавливают пустотелые блоки, которые менее прочные, нежели первый вариант. Во втором случае теплопроводность будет ниже. Если рассматривать общие цифры, то плотность керамзитобетона составляет 500-1800кг/м3. Его показатель находится в интервале 0,14-0,65Вт/м*К.
  • Газобетон, внутри которого образуются поры размером 1-3 миллиметра. Такая структура определяет плотность материала (300-800кг/м3). За счет этого коэффициент достигает 0,1-0,3 Вт/м*К.

Показатели теплоизоляционных материалов

Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов, наиболее популярных в наше время:

  • пенопласт, который обладает плотностью 15-50кг/м3, при теплопроводности – 0,031-0,033Вт/м*К;
  • пенополистирол, плотность которого такая же, как и у предыдущего материала. Но при этом коэффициент передачи тепла находится на уровне 0,029-0,036Вт/м*К;
  • стекловата. Характеризуется коэффициентом, равным 0,038-0,045Вт/м*К;

Таблица показателей

Для удобства работы коэффициент теплопроводности материала принято заносить в таблицу. В ней кроме самого коэффициента могут быть отражены такие показатели как степень влажности, плотность и другие. Материалы с высоким коэффициент теплопроводности сочетаются в таблице с показателями низкой теплопроводности. Образец данной таблицы приведен ниже:

Использование коэффициента теплопроводности материала позволит возвести желаемую постройку. Главное: выбрать продукт, отвечающий всем необходимым требованиями. Тогда здание получится комфортным для проживания; в нем будет сохраняться благоприятный микроклимат.

Правильно подобранный изоляционный материал снизит потери тепла, по причине чего больше не нужно будет «отапливать улицу». Благодаря этому финансовые затраты на отопление существенно снизятся. Такая экономия позволит в скором времени вернуть все деньги, которые будут затрачены на приобретение теплоизолятора.

fb.ru

Теплопроводность или теплопередача

 

 

 

 

 

 

 


Передача тепла в среде происходит при наличии разности температур. При этом тепло распространяется из области повышенных температур в область пониженных. Например, зимой в отапливаемых зданиях теплопередача происходит через наружные ограждения из здания, а летом при сильном нагреве поверхностей стен за счет солнечной радиации – в здание.

 

Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

 

1. Теплопроводность — способность материала передавать через свою толщину тепловой поток, возникающий из-за разности температур на противоположных поверхностях. Теплопроводность характеризуется количеством теплоты, проходящей за 1 ч через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 при разности температур на противоположных поверхностях образца 1 градуса Цельсия. Наиболее полно теплопроводность проявляется в сплошных твердых телах, но также имеет место и в капельных жидкостях и газах. Теплопроводность выражается в Вт/(м К) или Вт/(м градус Цельсия). Теплопроводность зависит от средней плотности и химико-минерального состава материала, его структуры, пористости, влажности и средней температуры материала. Чем больше пористость (меньше средняя плотность), тем ниже теплопроводность материала. С увеличением влажности материала теплопроводность резко увеличивается, т.е. снижаются показатели теплоизоляционных свойств материала. Различные материалы проводят теплоту по — разному: одни — быстрее (например: металлы), другие — медленнее (теплоизоляционные материалы). Количественным показателем теплопроводности различных тел служит коэффициент теплопроводности – λ (лямбда). Коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепла в Джоулях(Дж), проходящему через 1м 2 ограждения толщиной в 1 м в единицу времени при разности температур поверхностей ограждения 1 °С, и имеющим размерность Вт/(м×°С). Строительные материалы имеют коэффициенты теплопроводности в пределах от 3,5 (гранит) до 0,04 Вт/(м×°С) (пенополистирол). Определяется λ экспериментальным путем и зависит от плотности, влажности, температуры и структуры материала. Для большинства случаев увеличение плотности, влажности и температуры материала приводит к повышению величины λ.

 

2. Конвекция – процесс передачи тепла движущими массами жидкости и газа. Движение это может быть естественным за счет температурного перепада в пределах среды или искусственным, вызванным каким-либо внешним возбуждением, например, работой вентилятора.

 

3. Тепловое излучение – перенос тепла в газообразной среде или пустоте (вакууме) в виде электромагнитных волн. При взаимном облучении двух поверхностей происходит двойной процесс преобразования тепловой энергии. Вначале на поверхности излучающего тела происходит преобразование тепловой энергии в лучистую, а затем лучистой в тепловую на поверхности тела, поглощающего лучистое тепло. Процессы передачи тепла в зданиях и их ограждающих конструкциях связаны со всеми тремя видами теплопередачи. При этом в воздушной среде у поверхности ограждений, в воздушных прослойках и пустотах преобладает теплообмен конвекцией и излучением. В твердых материалах конструкций основным видом передачи тепла является теплопроводность.

 

Теплозащитные (теплоизоляционные) материалы и их основные характеристики.

Теплозащитными называют строительные материалы и изделия, предназначенные для тепловой защиты конструкций зданий и сооружений, а также различных технических применений. Основной особенностью теплозащитных материалов является их высокая пористость и, следовательно, малая средняя плотность и низкая теплопроводность.

 

Применение теплозащитных материалов в строительстве позволяет снизить массу конструкций, уменьшить потребление конструкционных строительных материалов (бетон, кирпич, древесина и др.). Теплозащитные материалы существенно улучшают комфорт в жилых помещениях. Важнейшей целью теплозащиты строительных конструкций является сокращение расхода энергии на отопление здания.

 

Основной путь снижения энергозатрат на отопление зданий лежит в повышении термического сопротивления ограждающих конструкций с помощью теплозащитных материалов.

Свойства теплозащитных материалов применительно к строительству характеризуются следующими основными параметрами.

 

Важнейшей технической характеристикой теплозащитных материалов является теплопроводность.

На величину теплопроводности теплозащитных материалов оказывают влияние плотность материала, вид, размеры и расположение пор (пустот) и т.д. Сильное влияние на теплопроводность оказывает также температура материала и, особенно, его влажность.

 

Пористость определяет содержание пор в материале и выражается процентным соотношением объема пор к общему объему материала. Для строительных материалов она изменяется от нуля до 90 %. У материалов типа пенополистирола она может быть еще выше.

Плотность — отношение массы сухого материала к его объему, определенному при заданной нагрузке (кг/м3). Прочность на сжатие — это величина нагрузки (кПа), вызывающей изменение толщины изделия на 10%.

Сжимаемость — способность материала изменять толщину под действием заданного давления. Сжимаемость характеризуется относительной деформацией материала под действием нагрузки 2 кПа.

Паропроницаемость — свойство материалов ограждающей конструкции пропускать влагу под действием разности парциальных давлений водяного пара на ее наружной и внутренней поверхностях.

Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в порах (пустотах) влагу при непосредственном контакте с водой. Водопоглощение теплозащитных материалов характеризуется количеством воды, которое впитывает сухой материал при выдерживании в воде, отнесенным к массе или объему сухого материала. Для снижения водопоглощения ведущие производители теплозащитных материалов вводят в них гидрофобизирующие добавки.

Влажность – содержание в материале химически свободной воды. С повышением влажности теплозащитных материалов повышается их теплопроводность.

Морозостойкость — способность материала в насыщенном влагой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. От этого показателя существенно зависит долговечность всей конструкции.

Воздухопроницаемость. Теплозащитные свойства тем выше, чем ниже воздухопроницаемость теплозащитного материала. Огнестойкость — способность материала выдерживать воздействие высоких температур без воспламенения, нарушения структуры, прочности и других его свойств.

Теплоемкость – способность материала поглощать тепло при повышении температуры. Количественно теплоемкость характеризуется удельной теплоемкостью с, равной количеству тепла в Дж, необходимому для повышения температуры 1 кг материала на 1 °С, и имеющей размерность Дж/(кг×°С). Величина с зависит от степени влажности материала: при увеличении влажности, теплоемкость увеличивается.

Термическое сопротивление — важнейшая характеристика качества наружных ограждающих конструкции, связанная с теплопроводностью материалов. От нее зависит толщина наружных стен и расход топлива на отопление зданий.

 

Теплозащита ограждающих конструкций.

 

К строительным ограждающим конструкциям относят стены, кровлю, окна – все то, что ограждает нас от перепадов температур, влаги, ветра и т.д.

 

Устройство хорошей теплозащиты позволяет экономить до 50% энергии, расходуемой на отопление и обогрев здания площадью около 200м2 , затратив 15кВт вместо 30кВт, что в настоящее время особенно важно из – за нехватки и дороговизны энергии.

 

Итак, мы выяснили, что уменьшить затраты на отопление можно изменив конструкцию стены. Так какой же она должна быть? Теплозащитные свойства ограждающей конструкции зависят от ее толщины и коэффициента теплопроводности материала, из которого она построена. Если стена состоит из нескольких слоев (например, кирпич – утеплитель – кирпич), то ее термическое сопротивление будет складываться из коэффициентов теплопроводности, которые приведены в таблице № 3.

 

Однослойные кирпичные или шлакобетонные стены толщиной 500-650 мм обеспечивают уровень теплозащиты, как выяснилось, приблизительно в три раза меньше требуемой. Высокими характеристиками, соответствующими современным требованиям, обладают трехслойные ограждения, где между наружными и внутренними стенами, соединенными гибкими связями в виде защищенных от коррозии арматурных или стеклопластиковых стержней или каркасов, уложенные в горизонтальные швы кладки, помещен слой теплозащитного материала.

 

Если материал стенок, обеспечивающих прочность конструкции, вопросов не вызывает и достаточно традиционен (кирпич, стеновые панели, шлакоблоки). То материал, идущий на утепление, весьма разнообразен как по виду (маты, плиты, рулоны) так и по названиям, изготовителю и цене. Мягкий пористый утеплитель из минеральной ваты или стекловолокна удобен при заполнении полостей сложной конфигурации, а твердые утеплители, в виде плит определенных размеров (пенопласт, пеноизол, пенополиуретан), более технологичны. Все подобные материалы не горючи, пожаробезопасны, высокогигиеничны. Различаются пористые теплоизоляционные материалы и по назначению: одни больше подходят для утепления трубопроводов и резервуаров в промышленном строительстве. Другие — для внутренних перегородок здания или изготовленные с элементами парозащиты для использования в вентилируемых фасадах. Помимо того, что подобные материалы хорошо сохраняют нужную температуру внутри помещений, они являются отличным звукоизолятором, повышая комфортность и качество жилья. Что касается коэффициента теплопроводности, то он у всех материалов подобного рода аналогичен (таблица № 4). Необходимо лишь заметить, что коэффициенты теплопроводности пористых минеральных утеплителей, даны для их сухого состояния и при эксплуатации в районах средней полосы при естественной влажности их значение необходимо увеличивать примерно в полтора раза.

 

В помещении, где колебания температуры нечасты и невелики — строительство домов , утеплитель располагают ближе к наружной поверхности, защищая его от атмосферной влаги пленками, а от осадков — сайдингом, вагонкой или другими покрытиями, обеспечивающими защиту стены.

 

Стены здания, используемого от случая к случаю (мастерские, подсобные помещения, бани) для уменьшения количества тепла и времени, затрачиваемого на его обогрев, требует иного расположения утеплителя — как можно ближе к внутренней стороне. В этом случае уменьшается количество энергии, идущей на прогрев основного массива стены, материала который потребляет тепла в 15 — 20 раз больше, чем тонкий слой утеплителя. В случае подобной конструкции следует обязательно предусмотреть хорошую внутреннюю пароизоляцию утеплителя, так как влажность внутри помещения всегда выше, чем снаружи. В любом случае во всех помещениях здания необходимо предусмотреть вентиляцию, обеспечивающую достаточный воздухообмен в объемах не меньших, чем требуют санитарные нормы.

 

Однако многослойным ограждающим конструкциям присущи и некоторые недостатки, снижающие их эффективность. Поэтому, применение многослойных конструкций в строительстве целесообразно именно при реконструкции существующих зданий и сооружений, не отвечающих возросшим требованиям теплотехнических норм.

 

И тем не менее для многослойных ограждающих конструкций характерна большая трудоемкость возведения и малая воздухопроницаемость, теплотехническая неоднородность и, наконец, возможность конденсации влаги между разнородными слоями такой стены — все это серьезный недостаток многослойных композиций. Теплотехническая однородность однослойных ограждений в 1.3-1.5 раз больше, чем в многослойных.

 

Кроме того, проблема долговечности различных типов утеплителей в многослойных ограждающих конструкциях недостаточно изучена. Поэтому современное капитальное строительство развивается именно по пути возведения не многослойных, а однослойных ограждающих конструкций.

 

Из современных строительных материалов, имеющих высокие показатели теплосопротивления, малый объемный вес и, поэтому являющихся оптимальным материалом для возведения теплоэффективных однослойных ограждающих конструкций, можно отметить ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон) и бетоны на легких заполнителях (полистиролбетон, вермикулитобетон). Для этих материалов характерно, что при средней плотности 600кг/м3 коэффициент теплопроводности в среднем составляет 0.14 — 0.145 Вт/ (м*Со), что позволяет создавать ограждающие конструкции, обеспечивающие требуемое теплосопротивление при умеренной толщине наружных стен. Итак, рассмотрев основные виды энергосберегающих материалов, применяемых в современном строительстве, можно выделить наиболее целесообразную область применения этих видов. При реконструкции существующих зданий, несмотря на значительные трудозатраты, наиболее перспективным представляется использование утеплителей на основе пенополистирола и волокнистых минеральных плит. Однако при капитальном строительстве, либо при сложных реконструкциях зданий (например надстройка дополнительного этажа, устройство мансарды и т.д.), целесообразно применение однослойных ограждающих конструкций на основе теплоэффективных строительных материалов (пенобетон, газобетон, полистиролбетон)

 

 

Узнать стоимость строительство домов можно здесь из различных материалов и проектов

 

xn--i1adjheebb.xn--p1ai

Теплопроводность — Википедия. Что такое Теплопроводность

Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

q→=−ϰgrad(T),{\displaystyle {\vec {q}}=-\varkappa \,\mathrm {grad} (T),}

где q→{\displaystyle {\vec {q}}} — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ{\displaystyle \varkappa } — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T{\displaystyle T} — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad(T){\displaystyle \mathrm {grad} (T)} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.[1]

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

P=−ϰSΔTl,{\displaystyle P=-\varkappa {\frac {S\Delta T}{l}},} [Вт/(м·К) · (м2·К)/м = Вт/(м·К) · (м·К) = Вт]

где P{\displaystyle P} — полная мощность тепловых потерь, S{\displaystyle S} — площадь сечения параллелепипеда, ΔT{\displaystyle \Delta T} — перепад температур граней, l{\displaystyle l} — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности ϰ{\displaystyle \varkappa } с удельной электрической проводимостью σ{\displaystyle \sigma } в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

ϰσ=π23(ke)2T,{\displaystyle {\frac {\varkappa }{\sigma }}={\frac {\pi ^{2}}{3}}\left({\frac {k}{e}}\right)^{2}T,}
где k{\displaystyle k} — постоянная Больцмана;
e{\displaystyle e} — заряд электрона;
T{\displaystyle T} — абсолютная температура.

Коэффициент теплопроводности газов

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле[2]

ϰ∼13ρcvλv¯,{\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}\lambda {\bar {v}},}

где ρ{\displaystyle \rho } — плотность газа, cv{\displaystyle c_{v}} — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ{\displaystyle \lambda } — средняя длина свободного пробега молекул газа, v¯{\displaystyle {\bar {v}}} — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как[3]

ϰ=ik3π3/2d2RTμ,{\displaystyle \varkappa ={\frac {ik}{3\pi ^{3/2}d^{2}}}{\sqrt {\frac {RT}{\mu }}},}

где i{\displaystyle i} — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5{\displaystyle i=5}, для одноатомного i=3{\displaystyle i=3}), k{\displaystyle k} — постоянная Больцмана, μ{\displaystyle \mu } — молярная масса, T{\displaystyle T} — абсолютная температура, d{\displaystyle d} — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R{\displaystyle R} — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).

Теплопроводность в сильно разреженных газах

Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): ϰ∼13ρcvlv¯∝P{\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}l{\bar {v}}\propto P}, где l{\displaystyle l} — размер сосуда, P{\displaystyle P} — давление.

Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл[4], а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:[5]

τ∂q∂t=−(q+ϰ∇T).{\displaystyle \tau {\frac {\partial \mathbf {q} }{\partial t}}=-\left(\mathbf {q} +\varkappa \,\nabla T\right).}

Если время релаксации τ{\displaystyle \tau } пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Графен 4840 ± 440 — 5300 ± 480
Алмаз 1001—2600
Графит 278,4—2435
Арсенид бора[en] 200—2000
Карбид кремния 490
Серебро 430
Медь 401
Оксид бериллия 370
Золото 320
Алюминий 202—236
Нитрид алюминия 200
Нитрид бора 180
Кремний 150
Латунь 97—111
Хром 107
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Оксид цинка 54
Сталь нелегированная 47—58
Свинец 35,3
Сталь нержавеющая (аустенитная) [6] 15
Кварц 8
Термопасты высокого качества 5—6
Гранит 2,4
Бетон сплошной 1,75
Бетон на гравии или щебне из природного камня 1,51
Базальт 1,3
Стекло 1—1,15
Термопаста КПТ-8 0,7
Бетон на песке 0,7
Вода при нормальных условиях 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Силиконовое масло 0,16
Пенобетон 0,05—0,3
Газобетон 0,1—0,3
Древесина 0,15
Нефтяные масла 0,12
Свежий снег 0,10—0,15
Пенополистирол (горючесть Г1) 0,038—0,052
Экструдированный пенополистирол (горючесть Г3 и Г4) 0,029—0,032
Стекловата 0,032—0,041
Каменная вата 0,034—0,039
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,022
Аэрогель 0,017
Аргон (273—320 K, 100 кПа) 0,017
Аргон (240—273 K, 100 кПа) 0,015
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)

Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, естественного — электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Примечания

См. также

Ссылки

wiki.sc

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о